趙喜龍 李 超 李英潔 王 芳 王喜明

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.國(guó)家林業(yè)和草原局產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃院，北京 100010）

樟子松是我國(guó)三北地區(qū)主要優(yōu)良造林樹(shù)種之一。樟子松木材具有紋理通直，花紋清晰，材質(zhì)輕且密度小、木質(zhì)軟等特點(diǎn)，可作為建筑、家具、地板、室內(nèi)裝飾用材[1-2]。高溫?zé)崽幚硎悄静母男缘囊环N方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫?zé)崽幚砗竽静牡奈鼭裥?、尺寸穩(wěn)定性等作了系統(tǒng)研究[3-4]。本研究對(duì)樟子松木材進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，研究含水率、處理溫度、處理時(shí)間對(duì)其干縮性、濕脹性、吸水性和密度的影響，旨在為人工林樟子松的高效利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

樟子松（Pinus sylvestnisvar.mongolicaLitv.）采自內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市涼城縣蠻漢山林場(chǎng)（北緯40.54°，東經(jīng)112.51°）。在同一株樟子松樹(shù)上取45個(gè)規(guī)格為200 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的試樣，無(wú)開(kāi)裂、無(wú)腐朽等缺陷；隨機(jī)鋸解20個(gè)規(guī)格為20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的試件備用。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)重點(diǎn)考察木材含水率、熱處理溫度、時(shí)間三個(gè)因素對(duì)材性的影響?？疾熘笜?biāo)為木材的干縮性、濕脹性、吸水性和密度。每個(gè)因素選用三個(gè)水平，因素水平見(jiàn)表1。根據(jù)上述設(shè)定，進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表2～4 所示，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析[5]，探討木材含水率、熱處理溫度、時(shí)間三因素對(duì)弦向干縮率、弦向濕脹率、吸水性和密度的影響。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Factor and Level table of orthogonal test

1.2.2 含水率調(diào)整

1）參照GB/T 1931—2009 《木材含水率測(cè)定方法》對(duì)規(guī)格為20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的20 個(gè)試件進(jìn)行含水率測(cè)定，準(zhǔn)確至0.1%。

2）將規(guī)格為200 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的試件分成9 組，每組5 塊。根據(jù)試驗(yàn)確定三個(gè)含水率水平（10%、20%、30%），將1、2、3 組試件干燥至含水率約為30%（±1%），4、5、6 組試件干燥至含水率20%（±1%），7、8、9 組試件干燥至含水率10%（±1%）。所有試材均用保鮮膜嚴(yán)密包裹后放置于冰箱中保存。

1.2.3 樟子松高溫?zé)崽幚?/p>

熱處理工藝的主要參數(shù)包括熱處理溫度、時(shí)間、加熱速率等。溫度和時(shí)間是決定熱處理材性質(zhì)的兩個(gè)重要影響因素，其中尤以溫度最為重要。已有研究表明，當(dāng)熱處理時(shí)間為4 h時(shí)，處理材的各項(xiàng)材性指標(biāo)均處在較理想的范圍[6-9]。按照表1分別設(shè)置熱處理溫度和熱處理時(shí)間，同時(shí)打開(kāi)氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置，氮?dú)饬魉贋?0 mL/min。為了避免試件直接放置于馬弗爐中加熱至目標(biāo)熱處理溫度（180、200、220 ℃）導(dǎo)致受熱不均或燒焦，在試驗(yàn)過(guò)程中在試件表面包上一層錫紙[10-14]。

1.3 高溫?zé)崽幚聿男阅軠y(cè)定

分別從經(jīng)過(guò)熱處理的9 組試件中隨機(jī)鋸制20 個(gè)規(guī)格為20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的試件，參照GB/T 1932—2009《木材干縮性測(cè)定方法》、GB/T 1934.2—2009《木材濕脹性測(cè)定方法》、GB/T 1934.1—2009《木材吸水性測(cè)定方法》、GB/T 1933—2009《木材密度測(cè)定方法》，各選取5 個(gè)試件分別測(cè)其弦向干縮率、弦向濕脹率、吸水性和密度，計(jì)算精確至0.01%。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝因素對(duì)處理材弦向干縮率的影響

經(jīng)不同的高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件處理后，樟子松木材弦向干縮率有不同程度的變化。表2 為弦向干縮率正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與檢測(cè)結(jié)果。利用極差法進(jìn)行各因素水平之間分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2 與圖1。

表2 高溫?zé)崽幚砟静南蚁蚋煽s率極差分析表Tab.2 The range analysis of tangential shrinkage for the high temperature heat treated wood

圖1 高溫?zé)崽幚聿南蚁蚋煽s率極差分析圖Fig. 1 The range analysis chart of tangential shrinkage for the high temperature heat treated wood

由表2 可知，當(dāng)樟子松木材含水率為30%、熱處理溫度和時(shí)間分別為220 ℃和4 h時(shí)，獲得最小弦向收縮率（3.59%），最優(yōu)組合為A1B3C3，熱處理溫度對(duì)處理材弦向干縮有明顯影響，而熱處理時(shí)間與含水率對(duì)樟子松的弦向干縮影響相對(duì)較小，三因素對(duì)樟子松弦向干縮的影響程度依次為B（溫度）＞C（時(shí)間）＞A（含水率）。由圖1 可以看出，較高含水率、較高熱處理溫度和較長(zhǎng)的熱處理時(shí)間均可降低弦向干縮率，說(shuō)明熱處理是一種能有效改善木材尺寸穩(wěn)定性的方法[10-12]。

2.2 工藝因素對(duì)處理材弦向濕脹性的影響

弦向濕脹性正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析見(jiàn)表3和圖2。

表3 高溫?zé)崽幚聿南蚁驖衩浶詷O差分析表Tab.3 The range analysis of tangential moisture-absorbing expansion for the high temperature heat treated wood

圖2 高溫?zé)崽幚聿南蚁驖衩浶詷O差分析圖Fig. 2 The range analysis chart of tangential moistureabsorbing expansion for the high temperature heat treated wood

由表 3可知，三因素中，高溫?zé)崽幚頃r(shí)間對(duì)樟子松木材的弦向濕脹性影響最大，其次是熱處理溫度，含水率對(duì)熱處理樟子松木材的弦向濕脹性影響最小。三者對(duì)樟子松濕脹性的影響程度依次為C（時(shí)間）＞B（溫度）＞A（含水率），最優(yōu)組出現(xiàn)在A1B3C3，即木材含水率為30%、熱處理溫度為220 ℃、時(shí)間為4 h，其最小弦向濕脹率為1.32%。試驗(yàn)結(jié)果表明：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著高溫?zé)崽幚頃r(shí)間的增加以及溫度的升高，處理材的弦向濕脹性表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，在20%含水率以下時(shí)，含水率的降低對(duì)濕脹率影響不明顯，如圖2所示。

2.3 工藝因素對(duì)處理材吸水性的影響

吸水性正交試驗(yàn)結(jié)果及工藝因素對(duì)處理材吸水特性的影響規(guī)律如表4 與圖3 所示。

表4 高溫?zé)崽幚聿奈詷O差分析表Tab.4 The range analysis of water absorption for the high temperature heat treated wood

圖3 高溫?zé)崽幚聿奈蕵O差分析圖Fig. 3 The range analysis chart of water absorption for the high temperature heat treated wood

由表4可知，高溫?zé)崽幚頃r(shí)間對(duì)樟子松木材的吸水性影響最大，其次是熱處理材的含水率，熱處理溫度對(duì)樟子松的吸水性影響最小，三因素對(duì)樟子松吸水性的影響大小依次為C（時(shí)間）＞A（含水率）＞B（溫度），最優(yōu)組合為A2B3C2，其對(duì)應(yīng)的吸水率為148.79%。由圖3可知，與弦向干縮率和濕脹率相比，高溫?zé)崽幚聿牡奈什⑽幢憩F(xiàn)出明顯的線性變化規(guī)律，在預(yù)設(shè)的三個(gè)水平中，均在中間水平出現(xiàn)拐點(diǎn)，時(shí)間和含水率中間水平（分別為3 h和20%）表現(xiàn)出最低值，而溫度中間水平（200 ℃）則表現(xiàn)出最高值。

2.4 工藝因素對(duì)處理材密度的影響

高溫?zé)崽幚頃?huì)使木材中的部分組分發(fā)生降解而從固相體系脫離，因此經(jīng)高溫?zé)崽幚砗竽静牡拿芏扔兴档蚚13-17]。對(duì)不同熱處理?xiàng)l件獲得的處理材密度進(jìn)行計(jì)算，并利用極差法進(jìn)行各影響因素分析，極差分析結(jié)果如表5、圖4 所示。

表5 高溫?zé)崽幚聿拿芏葮O差分析表Tab.5 The range analysis of density for the high temperature heat treated wood

圖4 高溫?zé)崽幚聿拿芏葮O差分析圖Fig.4 The range analysis chart of density for the high temperature heat treated wood

由表 5、圖4 可知，以密度為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)組合可能出現(xiàn)在A3B1C1或者A3B2C1，即含水率為10%，熱處理溫度為180 ℃或200 ℃，熱處理時(shí)間為2 h。由圖4可知，隨著含水率、熱處理溫度和時(shí)間的提高，極差分析均值密度表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，相對(duì)于熱處理溫度和時(shí)間對(duì)密度的影響，處理材的含水率對(duì)密度影響不大。但從表5 數(shù)據(jù)看，在熱處理溫度較低或時(shí)間較短的相對(duì)溫和熱處理?xiàng)l件下，含水率的變化對(duì)熱處理材的密度并未產(chǎn)生規(guī)律性的影響。在溫和的處理?xiàng)l件下，熱處理材密度受木材化學(xué)組分降解、再縮聚的綜合作用，密度呈現(xiàn)波動(dòng)變化。木材主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大物質(zhì)組成[18-20]，隨著熱處理溫度的升高，纖維素和半纖維素會(huì)產(chǎn)生一定程度的降解[21-24]，木材密度因此降低；同時(shí)，隨著半纖維素的降解，纖維素非結(jié)晶區(qū)間距減小，纖維素會(huì)發(fā)生重結(jié)晶，木質(zhì)素也會(huì)在一定程度上再縮聚，導(dǎo)致木材密度短暫升高；此外，木材初含水率較高時(shí)，木材中自由水含量較高，對(duì)木材孔隙起到膨脹作用，在熱動(dòng)力的作用下，水對(duì)熱的傳導(dǎo)作用更易使木材組分發(fā)生降解，使木材密度降低。因此在較溫和的熱處理?xiàng)l件下，含水率、溫度和時(shí)間的綜合作用使得密度未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。然而，隨著熱處理?xiàng)l件的加?。ㄔ跓崽幚頊囟葹?20 ℃或熱處理時(shí)間為4 h時(shí)），木材初含水率對(duì)密度影響不大，劇烈的熱處理?xiàng)l件導(dǎo)致木材化學(xué)組分降解而成為木材密度降低的主導(dǎo)因素，其對(duì)密度的影響程度明顯高于木材組分再縮聚和傳熱對(duì)木材密度的影響。綜合上述四個(gè)考察指標(biāo)可知，干縮率和濕脹率在相同的熱處理?xiàng)l件獲得最優(yōu)值，而吸水性和密度的最優(yōu)熱處理?xiàng)l件表現(xiàn)各異。熱處理的條件越劇烈，會(huì)使木材組分降解越明顯，處理后木材表面的親水性基團(tuán)也將越少[25-26]，在周圍環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，木材的吸濕和解析特性隨之改變，木材表面親水基團(tuán)位點(diǎn)減少，在宏觀上表現(xiàn)為干縮率和濕脹率的降低；對(duì)于吸水性而言，熱處理后的木材較長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，木材內(nèi)外水的壓力差會(huì)使更多水分滲透至木材內(nèi)部，再結(jié)合木材初始含水率的差異，因此未在最劇烈的熱處理?xiàng)l件下出現(xiàn)最小吸水率。同樣，在初始含水率、熱處理溫度和時(shí)間的綜合作用下，密度在較溫和的熱處理?xiàng)l件并未表現(xiàn)出規(guī)律性變化。初始狀態(tài)木材中水分的多少會(huì)影響熱處理木材的宏觀性能，因此在實(shí)際熱處理過(guò)程中應(yīng)綜合熱處理木材的目標(biāo)性能進(jìn)行工藝的最優(yōu)化選擇。

3 結(jié)論

本文以樟子松為原料，采用正交試驗(yàn)法和極差分析法，研究含水率（10%、20%、30%）、處理溫度（180、200、220℃）和處理時(shí)間（2、3、4 h)三個(gè)因素對(duì)樟子松熱處理前后干縮性、濕脹性、吸水性、密度的影響，得到如下結(jié)論：1）較高初始含水率、較高熱處理溫度和較長(zhǎng)高溫處理時(shí)間可改善處理木材的干縮性和濕脹性，使木材尺寸穩(wěn)定性更好；在較溫和的熱處理?xiàng)l件下，受初始含水率、熱處理溫度和時(shí)間的綜合影響，處理材密度未呈現(xiàn)規(guī)律性變化趨勢(shì)；在較劇烈的熱處理?xiàng)l件下，初始含水率的大小不會(huì)影響熱處理材密度降低的趨勢(shì)；熱處理溫度、時(shí)間和含水率對(duì)吸水性的影響不呈線性關(guān)系。2）以不同評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行極差分析，處理材的最優(yōu)反應(yīng)條件組合不盡相同，不能完全保證所有性能指標(biāo)在某一最優(yōu)條件下均達(dá)到最優(yōu)值，因此若想確定合理的優(yōu)化條件，需根據(jù)處理材不同的性能需求有側(cè)重地進(jìn)行選擇性優(yōu)化。